ПОХВАЛЬНОЕ СЛОВО ЛОПАСТИ

«Что есть, уж было, может быть, не раз.
И вот, минувшее изображая,
Наш бедный ум обманывает нас,
Известное когда-то вновь рождая…»

У. Шекспир, сонет 59

Если есть то, что делает вертолет вертолетом, геликоптер геликоптером, винтокрылый аппарат винтокрылым аппаратом, то это, конечно, лопасть. 

Лопасть изобрели индейцы навахо, а также  эскимосы,  древние греки и вавилоняне 3-5 тысяч лет назад.   Название первой лопасти – бумеранг. Хотя древние изобретатели не имели высшего технического образования, своему метательно-летательному орудию они придали формы, способствующие созданию хорошей подъемной силы: двуплечая пластина с нижней плоской поверхностью и выпуклой верхней; передняя кромка скруглена, задняя заострена; поверхность любовно отполирована – NAСA вполне могла бы присвоить  такому аэродинамическому профилю свой драгоценный номер. Бумеранг  запускают в вертикальной плоскости: он крутится, переворачивается, меняет направление движения, после чего, плавно вращаясь, возвращается  к  месту запуска.

Раскручиваемый между ладонями стержень с винтом на конце китайцы запускали за четыре столетия до Рождества Христова.  Лопастями «воздушного волчка» служили поставленные под углом деревянные пластинки.  Сегодня подобная  игрушка продается в интернет магазинах.

 

Герон из Александрии в первом веке нашей эры предложил вращать шар силой вырывающегося из согнутых трубок пара.  Эту идею успешно использовали конструкторы геликоптера SO-1220 "Djinn". Здесь  трубопроводом  для прогонки сжатого воздуха от расположенного в фюзеляже  турбокомпрессора послужила полая лопасть. Геликоптер с реактивным приводом несущего винта совершил первый полет в 1953 году и выпускался серийно.

 

 

 

 

 

 

 

 
В конце XV века Леонардо да Винчи представлял себе лопасть геликоптера в виде спиралевидной поверхности, предложенной  Архимедом для подъема воды. Роль лопастей в первой летающей модели геликоптера сыграли птичьи перышки:    французы  
Лонуа и Бьянвеню решили, что лучше природы ничего не придумаешь. Модель Лонуа и Бьянвеню впервые летала на виду почтенных зрителей  28 апреля 1784 года. Весила модель немногим более 90 грамм.
На проволочный каркас  в форме листика  натянута ткань – такими были лопасти модели соосного геликоптера француза Густава-Понтона Д Амекура (1863 год).  Паровая машина некоторое время работала исправно, но несущий винт развивал только третью часть потребной для отрыва от пола подъемной силы.

 Не успев отработать хорошую во всех отношениях  модель геликоптера, энтузиасты винтокрылой авиации принялись проектировать полноразмерные аппараты.  Большие лопасти потребовали повышенного внимания к обеспечению их функциональных качеств, в первую очередь, прочности и жесткости.  Прототипами лопастей послужили крылья  птеродактилей, а также известные с давних времен паруса плавучих судов и крылья не менее древних ветряных мельниц.

 Обычно лопасть натурного геликоптера  представляла собой силовой обод, на который натягивалась  плотная ткань.  Более близким к современному исполнению стал  вариант с силовым каркасом, органически встроенным в конструкцию: продольный лонжерон ближе к передней кромке профиля, поперечные нервюры, полотняная или фанерная обшивка. Впрочем, не редкими были и довольно экзотические схемы. Одна из них предусматривала укрепленный на валу винта мощный обод  с  играющими роль лопастей трапецевидными полосками полотна, прикрепленными широкой стороной к  ободу, а узкой — к валу.

 Когда несущий винт  впервые поднял человека в воздух, уже летали самолеты братьев Райт, самолеты живущего во Франции бразильца Альберто Сантоса-Дюмона, французов Вуазена и Фармана. Для этих самолетов были разработаны различные конструкции крыла. Некоторые лопасти первых геликоптеров копировали конструкцию самолетных крыльев. Так, лопасти геликоптера  маркиза Патераса  Пескара – те же бипланные коробки Флайера братьев Райт,  которые при установке на вращающийся вал приобрели довольно устрашающий вид. 

 Со временем специфичность ряда свойств лопасти геликоптера закономерно превратила ее в особый род инженерного искусства.  На крыло самолета действует подъемная сила, изгибающий момент от  которой создает большие напряжения особенно там, где увеличивается плечо действия силы —  в месте крепления крыла к фюзеляжу. В истории авиации отмечены случаи летных происшествий, вызванных недостаточной прочностью крыла.   Лопасть вертолета находится под воздействием не только аэродинамических, но и больших центробежных сил.  Казалось бы, «боливар не вынесет двоих». Однако центробежные силы парадоксальным  образом уменьшают величину изгибающих моментов, возникающих в каждом сечении лопасти от аэродинамических сил.  Лопасть, в принципе,  могла бы быть такой же  гибкой, как, скажем, плеть, которая при быстром вращении становится беспощадно жесткой, подобно клинку из дамасской стали. К сожалению, или к счастью податливая на изгиб лопасть становится жесткой только при достаточно быстром вращении. На стоянке лопасть в виде плети стала бы подметать землю. Чтобы избежать этого, некоторые конструкторы устроили тоненьким гибким лопастям поддержки в виде прикрепленных к валу винта тросиков. Другие предпочли делать лопасти пожестче, не пренебрегая даже использованием  бипланной коробки. Со временем конструкторы додумались  до маленьких хитростей: увеличили толщину лопасти вблизи комля, ввели во втулку несущего винта специальный замок, дающий лопасти в состоянии покоя некоторый  наклон вверх.  Так красавице лопасти удалось сохранить изящную талию при гордой выправке.

 Известны примеры  разрушения инженерных сооружений от резонансных колебаний.  Для крыла, как и для лопасти, важно отстроить собственные частоты от частот возможных периодических возбуждений.  Только у крыла опасных собственных частот колебаний раз-два и обчелся, да и воздействия с опасными частотами довольно редки   (к примеру,  так называемая «болтанка»).  У лопасти, вследствие ее гибкости, спектр собственных частот намного внушительнее, причем величина этих частот изменяется в зависимости от скорости вращения несущего винта, а периодические возбуждающие силы являются непременной спутницей вращающейся лопасти.  Так что избежать резонансных колебаний конструкции лопасти  —  это задачка не для первого класса.

Ускоренная фотосъемка позволяет увидеть деформационные перемещения конструкции на различных режимах полета.  Для описания поведения лопасти  подойдет вихревой танец с саблями Арама Хачатуряна.  Под разнообразными нагрузками гибкая лопасть извивается как змея. Каждый изгиб – цикл переменного усталостного напряжения; за время срока службы лопасти их набирается несколько сот миллионов.  Каждый элемент лопасти нагружается  на изгиб в плоскостях взмаха и вращения, на кручение.  Иногда, чтобы разгрузить концевые кромки лопастей от моментов в плоскости наибольшей жесткости их делают отсечными, как бы заблаговременно вводят возможные трещины. Удивительно – сейчас удается сделать и цельные лопасти, без отсеков и с практически не ограниченным условиями усталости ресурсом.  Книга Гиннеса рыдает.

 Как не чуждо ничто человеческое великой личности, так и лопасти не чуждо ничто крыльевое. В том числе флаттер.  Механизм флаттерных автоколебаний у лопасти и крыла одинаков: так же важно расположение по профилю точек центра тяжести, фокуса и  оси жесткости, приоритетна передняя центровка. Но и здесь лопасти нашли, чем отличиться. Играющая большую роль крутильная жесткость на крыле ограничена жесткой заделкой на фюзеляже.  Крутильные колебания лопасти в большой степени определяются податливостью проводки управления шагом лопасти. В связи с этим критическая скорость флаттера лопасти зависит не только от характеристик самой лопасти, но и от жесткости системы управления, величины трения в осевом шарнире, величины компенсатора взмаха.  Кроме того, через проводку управления, включающую в себя автоматы перекоса,  лопасти взаимодействуют между собой: вместо сольной партии возникает целый оркестр – синфазный флаттер.

В полете все сечения крыла по размаху обтекаются потоком воздуха более или менее равномерно, с одинаковыми скоростями.  У лопасти, даже на режиме висения скорость V обтекания профиля потоком воздуха в каждом сечении разная, она  пропорциональна расстоянию r  от оси вращения: V= ωr, где ω – частота вращения.  Аэродинамическая несимметрия усиливается при переходе к режимам горизонтального полета: к «наступающей» лопасти добавляется скоростной поток, у «отступающей» — вычитается. В результате на каждой лопасти  зона повышенных скоростей периодически сменяется зоной скоростей низких, вплоть до «отрицательных» («обратное» обтекание). В то время как на концевые участки лопасти могут садиться скачки уплотнения при скоростях обтекания, близких к сверхзвуковым, на корневых участках возникают явления срыва потока воздуха.  Крыло отдыхает. Недаром,  некий проницательный   сказал, что вся аэродинамика  крыла самолета помещается на кончике лопасти.

Крыло самолета создает подъемную силу, а  также, с помощью элеронов, кренящие моменты.  Несущий винт создает подъемную силу, обеспечивающую поступательное  движение вертолета пропульсивную силу, а также управляющие моменты относительно продольной и поперечной осей (соосный несущий винт создает также управляющий момент относительно вертикальной оси).  Казалось бы, куда больше.  И все же, со времен англичанина Ульяма Филипса (1842 год)  и немца Фридриха Доблхофа  (1943 год)  делаются попытки сделать лопасть, по совместительству, еще источником мощности, приводом собственного вращения.  С этой целью через внутреннюю полость лопасти прогоняют сжатый воздух или топливо, на конце лопасти устанавливают различного рода сопла или реактивные двигатели.  Пока из такого рода попыток наиболее успешным оказался проект легкого двухместного французского вертолета Джин (Djinn S.O.-1220, 1953 г.).  Но, как говорится, еще не вечер.

Чудесные свойства лопасти в сочетании с их недостатками, породили проекты «точечной застройки»  по принципу: мавр сделал свое дело – уходи! Диапазон решений здесь не ограничен: эластичные лопасти, наматываемые на барабан при переходе на большие скорости полета, останавливаемые жесткие лопасти — крылья, лопасти, убираемые в футляр на верху фюзеляжа (Ка-92). 

Наверное, нет энтузиаста винтокрылой авиации,  не предложившего какое либо усовершенствование лопасти.  Форма лопасти в плане,  изменение крутки по радиусу, набор аэродинамических профилей, способ крепления к втулке, антиобледенительная система, конструкция и материал отдельных элементов – лонжерона, нервюр, хвостовых секций, законцовок, комля,  технология изготовления – все являлось предметом постоянного анализа, исследования и модернизации. Не единожды лопасть разрушалась в полете,  губила вертолет и людей. Но именно она позволила вертолету добиться исключительных летных свойств, выполнения самых сложных маневров, включая боевые развороты и мертвую петлю.  Безопасная в эксплуатации, динамически совершенная лопасть с практически неограниченным сроком службы – заслуга таких конструкторов, как  Х. Сиерва,  И. Сикорский, Н. Камов,  М.  Купфер,  М. Миль, А. Малаховский. Со всеми своими загадками, противоречиями, красотами и критической ролью в судьбе геликоптера, лопасть  – как та роковая, ветряная красавица, доставляющая своему любовнику немало мучений, но, в то же время, дарящая ему самые счастливые мгновения жизни.

Перефразируя Владимира Ильича Ленина: лопасть так же неисчерпаема, как сам винтокрылый аппарат.  Одно из последних тому подтверждений  —  конструкция «бесшумной» лопасти “Blue Edge”  инженеров компании Еврокоптер, в которой использована технология Blue Pulse: край каждой лопасти выполнен в виде трех сегментов с  вмонтированными в них пьезоэлектрическими  моторами, приводящими эти сегменты в колебательный режим с частотой от 15 до 40 раз в секунду.  

             Лопасть Blue Edge                                                           

 

 

WordPress SEO